（机械工程专业论文）主动式波浪补偿控制系统设计关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 舰船海上补给能力是决定海军远洋作战能力的重要因素，而风、浪、流的作 用使补给舰与被补给舰发生相对运动，导致海上补给非常困难，给安全作业构成 很大威胁。主动式波浪补偿能有效解决这一难题，其核心是控制子系统。但实际 补偿过程中，一方面，整个系统结构复杂，并存在机械摩擦、电子元器件特性易 受干扰等不良影响导致了整个补偿系统具有严重的非线性；另一方面，补偿系统 的补偿动作发生在起重机吊绳载重变化之前，由于所吊装货物的质量庞大，具有 很大的惯性，这就产生了严重的时滞问题。因此，设计具有稳定性好、实时性强、 适应性广的控制系统对提高主动式波浪补偿系统的性能具有重要意义。 本文正是在“十一五”武器装备预先研究项目的资助下，对主动式波浪补偿控制 子系统中的检测技术和控制算法进行了深入研究，并完成了控制子系统的软硬件 设计。主要内容包括： 1 在分析主动式波浪补偿基本原理的基础上，提出了主动式波浪补偿控制系 统的总体设计方案。利用行星齿轮卷扬机的“和”运算性质，使其主驱动端输出重物 额定下放速度，副驱动端通过反馈控制输出补偿海浪运动的速度，最终实现重物 以相对不变的额定速度下放到被补给舰。 2 为了分析和改善系统的控制性能指标，通过理论分析建立了主动式波浪补 偿控制子系统的数学模型，得到了传递函数。 3 分别针对p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 三种控制算法，利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了控制子系统的仿真模型，分析了三种控制算法下的系统控制性能，并在此 基础上对液压和机械系统部件的参数进行了优化设计。 4 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制器构建了控制系统的硬件框架，设计了数字式 倾角传感器、加速度传感器和旋转编码器与控制器的接口电路，完成数据读取和 控制算法的软件设计，实现了传感器数据读取、控制处理与d a 输出。 最终，通过缩比样机进行了实验和数据采集，分析结果表明，模糊p i d 控制 算法响应时间为o 3 s ，稳态误差为1 3 ，在三种控制算法中性能最优，基本满足 控制技术指标要求，验证了本文所研究方法的有效性。 主题词：海上补给；主动式波浪补偿；模糊控制；模糊p i d 控制； t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t t h ea b i l i t yo fo 舔h o r es e a l i f ti sa l li m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gc o n t i n u o u sb a t t l e e f f e c t i v e n e s so faf l e e t m l i l et h ee f f e c t so fo c e a nw i n d w a v ea n df l o ww i uc a u s e r e l a t i v em o t i o n sb e t w e e ns u p p l y i n ga n ds u p p l i e ds h i p s ，s oi ti so f t e nv e r yd i f f i c u l tt o p e r f o r mm a r i n es u p p l ya n db r i n g st h r e a t e n st ot h eo p e r a t i o ns a f e t y f o r t u n a t e l y ，a c t i v e h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m s ( a h c s ) c a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e ma n dt h ek e y e l e m e n ti si t sc o n t r o ls u b s y s t e m h o w e v e r ，i np r a c t i c e ，o no n eh a n d ，t h ew h o l ea h c si s c o m p l e xa n dt h e r ea r em u c hn o n - l i n e a r i t y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ei n e r t i ao ft h ew h o l e a h c si ss ol a r g et h a tw i nc a u s eo b v i o u st i m ed e l a y t h e r e f o r e i ti sm u c hs i g n i f i c a n tt o d e s i g nas t a b l e ，r e a l t i m ea n da d a p t i v ec o n t r o ls u b s y s t e mf o ri m p r o v i n gt h ea h c s p e r f o r m a n c e s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ld e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t ，i nt h i sp a p e r m o t i o np a r a m e t e r sd e t e c t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ec o n t r o ls u b s y s t e ma r e s t u d i e dd e e p l y a l s ot h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d n l e d e t a i l e dc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h eo v e r a l ld e s i g n i n gi d e ao fa h c si sp r o p o s e db a s e do n “a n d ”o p e r a t i o n p r o p e r t yo fap l a n e tg e a rw i n c h r n l ec e n t r a lw h e e lr o l l i n go u t p u tt h er a t es p e e dw h i l et h e v i c ep l a n e t a r yr o l l i n gw h e e lo u t p u tc o m p e n s a t et h ew a v em o t i o nw h i c hc a nr e a l i z et h a t t h ep a y l o a di sl o w e r e dt ot h es u p p l i e ds h i pa tr e l a t i v ei n v a r i a n tr a t e ds p e e db yt h eo u t p u t o fp l a n e tc a r r i e r 2 am a t h e m a t i c a lm o d e lo fa h c si se s t a b l i s h e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h e t r a n s f e rf u n c t i o ni so b t a i n e dt oa n a l y z ea n di m p r o v et h es y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c e 3 t h r e ec o n t r o ls u b s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l sb a s e do np i d ，f u z z y ，f u z z y p i d a l g o r i t h ma r ee s t a b l i s hb ym a t l a b s i m u l i n kt o o l b o xr e s p e c t i v e l y ，t h e nt h e i rc o n t r o l p e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e dt oo p t i m i z ed e s i g n i n gp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cs u b s y s t e m a n dm e c h a n i c a ls u b s y s t e m 4 c i r c u i t sa n ds o f t w a r e so fi n t e r f a c e sb e t w e e ns e n s o r sa n dt h ec o n t r o l l e ra r e d e s i g n e dt or e a ds e n s o r sd a t a , c o n t r o la n do u t p u tt h ed ad a t eb a s e do nt h ec o n t r o l s u b s y s t e mf r a m e w o r kc o n s t r u c t e db yt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n t so nt h es c a l e dp r o t o t y p es y s t e ms h o wt h a t f u z z y - p i da l g o r i t h mh a st h eb e s tc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dm e e tt h es y s t e m st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t i t sr e s p o n s et i m ei s0 3 sa n di t ss t e a d y s t a t ee r r o ri s1 3 1 1 l ee x p e r i m e n t s r e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di nt h ep a d e ri se f f e c t i v e k e yw o r d s ：s e a l i f t ；a c t i v eh e a v ec o m p e n s a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z yp i dc o n t r o l ； t m s 3 2 0 ，f 2 4 0 7 a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 我国主要登陆艇在三级海况下的横摇、纵摇和垂荡的运动参数1 4 表2 2 新型主动式波浪补偿系统性能指标。1 4 表2 3 新型主动式波浪补偿缩比样机系统性能指标1 4 表2 4 二自由度海浪模拟平台在三级海况下的升沉、摇摆的运动参数1 4 表4 1 模糊控制规则表3 4 表4 2 精确量与模糊语言关系3 5 表4 3 疋不变丘变化对控制性能的影响3 7 表4 4k 不变k 变化对控制性能的影响3 8 表4 5 也模糊控制规则表4 2 表4 6x ，模糊控制规则表4 3 表4 7k 。模糊控制规则表4 3 表4 8 系统仿真参数4 5 表 表 表 表 7 6 - - t d 主要性能参数5 1 p f x s w t s d 1 主要性能参数5 2 l c 0 11 6 主要性能参数5 3 h t s 5 0 0 主要性能指标5 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1舰船姿态六自由度运动模式7 图2 2 速度补偿原理分析8 图2 3 新型主动式波浪补偿系统结构9 图2 4 横倾和纵倾运动引起的升沉方向速度示意图9 图2 5 主动式波浪补偿d s p 控制系统1 1 图2 6d s p 控制系统前向通道。1 1 图2 7d s p 控制系统后向通道1 2 图2 8 控制系统人机接口1 2 图2 9 控制系统功能关系图1 3 图3 1 n g w 型差动行星轮系1 9 图3 2电液伺服阀的结构图2 0 图3 3电液伺服阀的组成2 0 图3 4 理想开口滑阀21 图4 1主动式波浪补偿控制系统结构2 6 图4 2 主动式波浪补偿控制模型2 6 图4 3不可测干扰作用下的系统结构图2 7 图4 4p i d 控制系统结构框图2 8 图4 5 常规反馈控制系统方框图3 0 图4 6 模糊控制原理框图3 1 图4 7 模糊控制器的结构3 2 图4 8 隶属度函数曲线的形状。3 3 图4 9 模糊子集之间相互影响3 3 图4 1 0 模糊化方法图示3 5 图4 1 1 模糊控制算法流程图3 9 图4 1 2 模糊p i d 控制系统结构图。4 0 图4 1 3 误差和误差变化语言变量的隶属度函数4 4 图4 1 4 闭环控制系统连续模型4 6 图4 1 5 控制系统s i m u l i n k 仿真模型4 6 图4 1 6 系统阶跃响应仿真结果4 7 图4 1 7 系统正弦跟踪响应仿真结果4 7 图5 1c c s 开发流程4 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 2 增量式编码器工作原理4 9 图5 3 增量式编码器脉冲输出形式5 0 图5 4 应变式倾角传感器测量原理5 1 图5 5 压电晶体内部等效图5 2 图5 6 倾角传感器与控制器连接电路图5 4 图5 7 旋转编码器与控制器连接电路图5 5 图5 8d a c 7 7 3 1 e 实现1 0 v 电压输出连接电路及芯片引脚5 5 图5 9s n 7 4 h c 2 4 5 芯片引脚及逻辑控制图5 6 图5 1 0 波浪补偿系统实现整体框图5 6 图5 1 1q e p 电路原理框图5 7 图5 1 2 正交编码脉冲解码5 8 图5 1 3 计算液压马达转速流程图5 8 图5 1 4 计算倾角大小流程图5 9 图5 1 5 计算加速度及张力大小流程图6 0 图5 1 6d a c 7 7 31 e 控制时序图6 1 图5 1 7d a 转换控制程序流程图6 2 图6 1 控制系统实物图6 3 图6 2 传感器安装位置图6 4 图6 3系统补给参考速度6 4 图6 4p i d 控制响应曲线6 5 图6 5 模糊控制响应曲线6 5 图6 6 模糊p i d 控制响应曲线6 5 图6 7p i d 控制速度曲线图6 5 图6 8模糊控制速度曲线图6 5 图6 9 模糊p i d 控制速度曲线图6 5 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目 学位论文作者 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师签名：曼蔓至l 童 日期：岬年- ，月y 妇 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 在现代海战中，舰船海上补给能力已成为决定海军远洋综合作战能力的重要 因素。海上补给装备是指在海上对舰船实施物资补给的后勤保障装备，它是海上 后勤保障装备的重要组成部分。一代代补给装备相继问世，使海军舰船综合保障 能力实现历史性跨越。目前，根据海上补给方式的不同，海上补给装备有横向补 给装备、纵向补给装备、并靠补给装备和垂直补给装备等【l 】，各种补给装备决定了 海上补给任务能否完成。加强舰船海上补给装备研制，提高舰船综合保障能力， 延长海军舰船作战半径，是提高海军战斗力的一项重要战术技术措施，是打赢未 来海战的重要保障。 随着信息技术的发展和作战任务的转变，美国等一些国家正大力发展海上补 给装备【2 1 。如美国海军正在建造的1 2 艘t a k e 级干货弹药运输补给船是其“海 上力量2 1 全球作战概念的核心，首舰“刘易斯和克拉克”号已于2 0 0 5 年下水服 役。该船将取代现有的弹药船和战斗补给船进行海上干货、弹药的补给。2 0 0 3 年， 美国海军开始研制用先进的船体结构和复合材料技术建造的高速双体船，并将继 续发展高速海运船和研制新一代机动式海上基地和海上预置船。迄今为止，我国 海军海上补给装备研制取得了一系列成果，逐步实现了海上补给、垂直补给和岸 滩补给。这三大补给方式基本形成海、空、岸衔接的立体综合保障链例。但由于我 国海军海上补给装备研制起步较晚，海上补给人才与学科建设严重不足【4 j ，因而发 展相对落后，为适应2 1 世纪海上作战任务需要，我国海军海上补给装备研制任务 形势紧迫。 在开放的海洋环境中，由于海风、海浪、洋流的作用以及舰船自身航行运动 影响，两舰船之间产生升沉、横摇和纵摇的相对运动，使物资在补给过程中极易 撞击被补给舰甲板，而且接近放落到被补给舰甲板上的物资也可能因被补给舰下 沉而出现再次悬空现象【5 】，这对海上补给的安全作业构成很大威胁。因此研制具有 波浪补偿功能的补给装备是新型航行并靠物资传输技术研究的重要内容之一6 。 在海上补给设备中，波浪补偿系统结构形式多种多样，按控制力的执行方式 可分为随动式波浪补偿系统和主动式波浪补偿系统两种基本类型1 7 岿j 。 ( 1 ) 随动式波浪补偿系统 被动型波浪补偿系统( p a s s i v eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，p h c s ) 的补偿动力 来源于被补给舰的升沉，当被补给舰升沉时，依靠海浪的举升力和船自身的重力 来压缩和释放蓄能器中的压缩空气，从而实现升沉补偿。该类型的波浪补偿系统 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 几乎不消耗需要动力源，因此应用比较广泛。 随动式波浪补偿系统由随动装置和执行器组成，工作时按照吊钩受到的被补 给舰升沉运动产生的动力拖动随动装置，达到补偿的目的。这种补给系统的阻尼 和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法选择。一经确定，在补给作业中 就无法随外部状态变化而变化。因此，对于在某种特定工况下按目标优化出的波 浪补偿系统，在补给设备结构参数、运行工况等发生变化时，将难以适应复杂的 多变性，影响补给作业的安全高效性。由于参数不能选择和调节，限制了随动式 波浪补偿系统性能的进一步提高。其最大缺点就是补偿精度低，补偿性能不稳定， 滞后比较大，容易造成事故。 ( 2 ) 主动式波浪补偿系统 主动型波浪补偿系统( a c t i v eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，a h c s ) 的补偿工作 依靠补偿系统本身的动力能源来工作的，如液压泵。该类型补偿系统可以采用反 馈控制，抗干扰能力强，适应性好，补偿精度高，补偿性能稳定。但是消耗的功 率较大，只适合于中小功率场合。 主动式波浪补偿系统主要由感应器、控制器和执行器组成。工作时，控制器 根据感应器监测到的舰船相对运动信号，产生一个与之大小相同、方向相反的主 动力驱动信号，控制执行器实现波浪补偿。随着微型计算机、传感器的迅速发展 和控制理论不断进步，主动式波浪补偿系统通过设计有效的控制系统方案，选择 正确的控制策略，可以大大提高波浪补偿精度和系统控制性能【1 6 1 。 由于被动式补偿在补给过程中，存在着很大的安全隐患，当前国内外对波浪 补偿系统的研究主要是针对主动式波浪补偿。 对于主动式波浪补偿系统，控制系统是主动式波浪补偿系统的核心技术之一。 这是因为：一方面，整个系统结构复杂，并存在机械摩擦、电子元器件特性等不 良影响，这些因素导致了整个补偿系统具有严重的非线性；另一方面，补偿系统 的补偿动作发生在起重机吊绳载重变化之前，由于船用起重机械以及吊装重物的 质量庞大，具有很大的惯性，这就产生了严重的时滞问题。因此，在海况或负载 发生变化，或者系统受到环境干扰等情况，控制系统的控制性能将受到严峻的考 验，因此不仅要研究控制系统的稳定性，还要研究控制系统响应输入量变化的快 速性；控制系统对起重装置进行控制的实时性；以及控制系统对不同任务与环境 的适应性。二 因此，本课题针对主动式波浪补偿控制系统设计中的关键技术开展研究，以 提高控制系统的响应速度和稳定性，从而提高波浪补偿系统的综合性能，实现海 上全天候的物资补给。这对促进国内波浪补偿控制系统的发展具有重要意义，进 而对突破我国海上舰船补给技术，加快研制我国新型海上舰船补给装备，提高海 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 上力量有着重要意义。 1 2 主动式波浪补偿国内外研究现状 1 2 1 主动式波浪补偿的理论研究 自十九世纪末海上补给技术诞生以来，国外在海上波浪补偿方法方面进行了 大量研究，实现了从单一补给到综合补给的多次重大改进，补给装备波浪补偿技 术比较成剿2 ，卅。针对波浪补偿在海上补给以外的其他方面应用，如钻井、勘测系 统等，也进行了较全面的研究。早期的主动式波浪补偿控制主要是采用k a l m a n 滤 波的方法对海上舰船运动实现实时预报【9 】，但由于k a l m a n 滤波要求模型完全明确， 模型失配则影响预报结果，而且k a l m a n 滤波的计算复杂不利于在线应用，因而 k a l m a n 滤波方法在主动式波浪补偿系统中的应用受到限制。d g l a i n i o t i s 等提出 了采用a l f ( a d a p t i v el a i n i o t i sf i l t e r ) 方法【1 0 】以及神经网络估计器【1 1 】预报舰船运 动，预报结果明显优于k a l m a n 滤波结果。高精度的测量舰船姿态运动参数是进行 波浪补偿的前提，j o h nm g o d h a v n 分析了基于g p sr t k 和舰船运动高精度加速 度传感器如m r u ( m o t i o nr e f e r e n c eu n i t ) 检测的舰船姿态运动估计【1 2 】，为主动式 波浪补偿系统中舰船运动预报提供了新的思路，提出的检测信号离线处理方法提 高了传感器检测性能。n h o g a n 提出了带前馈补偿的阻抗控制( i m p e d a n c e c o n t r 0 1 ) 方法【1 3 1 。s v e i ni s a g a t u n 将带前馈补偿的阻抗控制方法应用于海上舰船 起重机波浪补偿研究，实现了波浪补偿的主动控制l l4 。l o n n i ej l o v e 等针对军舰 上机械操作设备( 操作手) 控制中的波浪补偿问题，提出了重复学习控制( r e p e t i t i v e l e a r n i n gc o n t r 0 1 ) 方法，然而重复学习控制仅在规则海浪环境条件下具有较好的控 制效果，而在真实的高海况环境下，控制精度降低，于是又提出了应用倾角计和 加速度传感器测量舰船姿态运动的方式，通过位置控制与力控制，大大地提高了 位置精度，减小了干扰信号对机械设备的不利影响【l 5 。 我国对海上补给装备的研究起始于二十世纪八十年代初期，相继成功研制了 海上航行纵向加油装置和横向油料补给装置，油水联合站，海上新型油料补给系 统，舰载直升机悬停加油系统，以及岸滩液货补给系统等。然而这些补给装备并 不具备波浪补偿功能，在海况恶劣的条件下就显得无能为力。刘绍兴等人采用主 动与牵引复合的波浪补偿方式，减轻了海况对海上补给的影响【l 刀。嵇春艳和李华 军等人，基于预测控制理论，研究了适用于海洋平台的时滞补偿控制算法，借助 于随机波浪力和卡尔曼滤波原理推导出了随机波浪力向前一步预测公式，实现了 对状态向量向前一步预测。在时滞较小的情况下补偿效果理想，但当时滞较大时 补偿效果差【l s l 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 主动式波浪补偿的实验研究 m i c h a e lj p u r c e l l 和n e dc f o r r e s t e r 研究了用于海地探测的光纤光学测量系 统，把钢丝绳张力及其运动状态作为系统主动式驱动的反馈信号，在随动式补偿 系统中加入主动式驱动单元，降低了系统功耗的同时还大大减小了起重装置的波 动【1 9 1 。h i t e c 公司生产出了一种用于海上钻井船的主动式波浪补偿装置a h d t m 系 统。该装置采用传感器m r u 测量舰船姿态运动，相对于传统的补偿系统提高了补 偿精度，增大了补偿范围，提高增强了系统控制性能，延长了起重钢丝绳使用寿 命【2 0 1 。f i n ng n i e l s e n 建立了带载荷起重船动力学模型并研究了模型的动静态特性 2 1 】；t h o ri f o s s e n 与t o ra 1 t i ej o h a n s e n 建立了起重装置数学模型并研究了模型的 系统辨识【2 2 1 ，通过在离岸水池实验确定了系统固有频率和阻尼系数【2 3 1 ，设计出实 验系统的控制与测量系绀2 4 1 ，通过引入波浪同步控制方法，在主动式波浪补偿系 统中加入前馈补偿器，实现了波浪同步起重机控制，并在离岸水池中进行了缩比 系统实验。实验表明带波浪同步的波浪补偿系统在性能上大大提高1 2 5 j 6 。 贺可太等针对海上弹药补给问题对海上波浪补偿系统进行了初步探索，分析 了波浪补偿速度跟踪系统，提出了进行速度跟踪控制的模糊p i d 算法，在某型运 输船的基础上改造的波浪补偿起重机的控制进行了实验和仿真【8 】。陆卫杰等针对目 前我国海上导弹补给系统无波浪补偿功能的缺陷，对海上导弹补给波浪补偿系统 进行了深入的研究：( 1 ) 建立了舰船并靠导弹补给动力学模型并进行了动力学仿 真分析，获得了导弹箱在不同海况下和舰用起重机不同位置参数的运动规律；( 2 ) 建立了以p l c 控制系统为核心，以导引带产生的扭矩来控制补给过程的控制系统， 研究了系统振动问题；( 3 ) 发明了舰船海上并靠补给系统中的海浪自动补偿装置， 在国内首次建成了舰船并靠导弹补给及波浪补偿系统，通过模拟平台实验验证了 补给装备的可靠性和实用性。该系统填补了国内导弹补给波浪补偿技术的空白1 2 。 1 3 论文的主要研究工作 1 3 1 研究目标与内容 我国海上波浪补偿系统研究起步晚，虽然在波浪补偿系统领域展开了广泛研 究，但研究成果并不显著，尤其是在主动式波浪补偿控制技术方面的研究多处于 仿真与实验阶段。因此，通过本课题研究旨在设计高性能的主动式波浪补偿检测 系统、控制系统、高精度控制算法。 围绕上述研究目标，主要完成以下研究内容： ( 1 ) 舰船姿态运动信号的测量、处理。舰船运动信号的测量直接关系到整个 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 系统的补偿精度，信号的测量首先需要进行运动分析，把握最关键的运动量，采 用相应的传感器进行测量，为提高信号的测量精度，一方面需要选择高精度的传 感器，另一方面需要设计合理的信号处理电路。 ( 2 ) 系统数学模型的建立。新型主动式波浪补偿系统结构复杂，涉及机、电、 液等多个领域，难以建立精确的数学模型。通过提取系统关键环节的特征参数， 并进行合理的条件假设，建立系统的近似模型，这是主动式波浪补偿研究的基础。 ( 3 ) 系统控制算法的研究。主动式波浪补偿系统采用反馈控制，针对主动式 波浪补偿系统结构复杂，数学模型难以精确建立，补给系统任务多变，环境因素 干扰严重等特点，利用反馈控制结合经典与现代控制理论，对经典p i d 控制、模 糊控制、模糊p i d 控制进行理论分析，建立系统控制算法，并通过m a t l a b s i m u l i n k 工具进行仿真分析。 ( 4 ) 控制、检测系统的构建。根据系统的性能及原理要求确定系统所用控制 器与传感器的型号，完成以控制器开发平台为核心的硬件系统设计，包括控制器 前向通道、后向通道及外部接口电路设计等：完成控制器的核心部分软件系 统，包括各个传感器输入数据的读取与处理，控制算法实现，控制信号的输出等 程序。 ( 5 ) 缩比样机实验。仿真只能从理论上证明控制方案的有效性、控制方法的 可行性，而实验系统研究可进一步验证系统方案的正确性，完成控制系统与动力 和执行系统的连接，利用海浪模拟运动平台模拟三级海况下被补给舰的运动，更 进一步验证系统原理的有效性及控制算法的适应性。 1 3 2 论文结构与安排 根据课题研究目标和内容，论文结构安排如下： 第一章，绪论。介绍课题研究背景与意义、目标与内容，概述波浪补偿技术 及其国内外研究发展现状。 第二章，主动式波浪补偿系统分析。介绍新型主动式波浪补偿系统原理与结 构，分析波浪补偿实现的关键技术，通过三级海况下舰船的运动确定海浪模拟运 动平台的运动形式及性能指标。 第三章，主动式波浪补偿系统建模技术研究。根据系统的实现原理，对系统 中的液压驱动系统和机械执行系统这两个最主要的时滞与非线性系统进行建模分 析，建立相应的数学模型及传递函数模型。 第四章，主动式波浪补偿控制系统控制算法研究。对经典p i d 、模糊控制和模 糊p i d 控制算法的理论分析，建立系统实现的控制算法，实现全系统的 m a t l a b s i m u l i n k 软件仿真，分析主动式波浪补偿控制系统的静动态特性。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第五章，主动式波浪补偿控制系统硬件及软件设计，通过系统的实现原理， 选择系统所需硬件，包括控制器、传感器，并设计相应的硬件电路，编写系统程 序，实现最终的控制、检测功能。 第六章，控制系统实验研究。分析新型主动式波浪补偿缩比实验系统原理与 软硬件结构，设计控制系统实验，并对实验结果进行分析研究。 第七章，总结与展望。总结控制技术研究内容和系统仿真与实验结果，根据 控制系统性能的主要影响因素和系统校正、优化方法，提出主动式波浪补偿控制 系统设计意见，为后续研究打下基础。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章主动式波浪补偿控制系统总体设计 本章围绕主动式波浪补偿系统基本原理、总体结构及性能指标等内容展开深 入分析，为控制系统设计奠定了基础。根据波浪补偿目标和控制系统功能结构分 析，完成控制系统总体方案的设计，根据补偿原理以及舰船在三级海况下的运动 分析，确定了缩比样机及海浪模拟运动平台的结构和参数指标。 2 1 主动式波浪补偿控制系统原理分析 在海上风、浪、流的影响下，舰船运动将呈现出横摇( s w a y ) 、纵摇( s a r g e ) 、 升沉( h e a v e ) 与横倾( p i t c h ) 、纵倾( r o l l ) ，偏航( y a w ) 等六自由度的运动 姿态，如图2 1 所示口”。 = 一 一 一日 图2 1 舰船姿态六自由度运动模式 在开放的海域中，当补给舰向被补给舰进行货物的横向靠帮补给时，由于海 风、海浪和洋流的作用引起两舰船的相对运动，对补给起重机正常作业造成的不 利影响主要体现在以下两方面”j ： ( 1 ) 可能造成下放中的货物与上升的船体发生碰撞，或已放落到甲板上的货 物由于被补给舰的下沉出现再次悬空的现象； ( 2 ) 引起起重钢丝绳的张力发生很大变化，造成钢丝绳急剧的收缩或拉伸， 容易造成钢丝绳脱离卷扬机或断裂。 其中升沉、横倾和纵倾运动是影响海上补给作业的主要因素】，对波浪补偿技 术的研究首先立足于补偿舰船垂直方向上的运动，并在此基础上研究多自由度姿 态运动的补偿问题。本文主要针对舰船升沉姿态运动展开波浪补偿控制研究，根 据干扰因素引起的不同影响效果将主动式波浪补偿分为速度补偿和张力补偿： 速度补偿。消除因舰船姿态运动引起的补给设备与被补给舰之间的相对运动， 使补给设备按补给速度( 即额定的吊装速度) 进行物资补给； 张力补偿。减小起重钢丝绳张力变化幅度，井维持在一定范围之内。 2 1i 速度补偿基本原理分析 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2图2 所示为主动式波浪补偿速度补偿原理不葱图。 图2 2 速度补偿原理分析 设补给舰和被补给舰升沉运动速度分别为和v b ，补给舰和被补给舰间的相 对运动速度为v b a 。起重机补给速度为v s ，重物速度为，无补偿和有补偿时重物 相对被补给舰的速度分别为v b m 和吒m 。补给系统在无补偿时，有： ，b m = v h 一1 ，b = 魄+ 一吒 ( 2 1 ) = v s + 吒a 补给系统在有补偿时，速度补偿的目标为： = v s ( 2 2 ) 设补偿速度为，补偿后重物速度吒。则加入速度补偿后，重物速度为： 吨= v s + v c + v a ( 2 3 ) 重物相对被补给舰的速度为： 嵋m = 1 幺一v b吒m2 1 k v b v s - 4 - v c + v a v b ( 2 4 ) = v s 手v c 手锄 根据速度补偿目标，由式( 2 4 ) 可推出补偿速度与舰船姿态运动的关系式： = 一吒a = 一心一v b ) ( 2 5 ) 2 1 2 张力补偿基本原理分析 设重物质量为m ，补给舰与被补给舰升沉加速度分别为a a 和a b ，钢丝绳张力 为r ，补偿张力为耳。 一 在重物被悬吊南过程中，根据速度补偿的目标可知重物相对被补给舰的加速 度为零，因此受力分析可得1 6 】 m g t = m a a ( 2 6 ) m g 一( r + 疋) = 无b 解得 疋= m ( a a 一吒) ( 2 7 ) 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在重物放置过程中，重物所受的外力增加了被补给舰的支承力( f ) ，则有： m g 一( 丁+ 乏) 一_ = m a b ( 2 8 ) r c = m ( a a 一口b ) 一( r ) ( 2 9 ) 2 2 主动式波浪补偿控制系统方案 2 2 1 主动式波浪补偿系统工作原理 本文的研究对象新型主动式波浪补偿系统，主要是利用速度补偿原理实 现垂直方向补偿的功能，它是由控制系统、检测系统、电液伺服驱动系统和机械 执行系统等四个子系统构成，如图2 3 所示。 r 。一+ 一一。二 厦馕僵号 图2 3 新型主动式波浪补偿系统结构 检测系统由高性能传感器及数据处理单元构成，实现舰船姿态运动、钢丝绳 张力以及重物位移、速度等信号的实时检测。 检测系统主要实现船舶垂直方向运动的检测，舰船在垂直方向上的运动包括： 由海浪、海风造成的舰船直接的升沉运动，以及舰船横倾和纵倾引起的间接升沉 运动，其中直接的升沉运动速度通过利用加速度传感器信号进行积分得到；间接 的升沉运动速度利用倾角传感器进行检测，如图2 4 所示，记船舶重心位置为o ， 重物的下放位置为0 7 ，o o 间距离为d ，倾角传感器角度为口，a 为重物的几何尺 寸，则由三角形公式可得到升沉方向的位移为h = ( d + 口) t a l l g ，对该位移进行微 分即可得到横倾或纵倾引起的升沉运动速度。 图2 4 横倾和纵倾运动引起的升沉方向速度示意图 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 控制系统由硬件开发平台和软件系统构成，根据舭船姿态相对运动量以及重 物实际运行速度经运算后得出的反馈量，通过控制算法实现对液压伺服系统的控 制。 液压驱动系统是整个主动式波浪补偿系统的动力装置，根据控制量的不同分 为主驱动电液伺服系统和副驱动电液伺服系统，分别输入主控信号( 即补给设备 输入量) 和补偿信号。 机械执行系统由行星轮传动卷扬机、钢丝绳、滑轮组及起重架等组成，是实 现物资补给的最终装置。 该系统整体实现波浪补偿的基本原理是：如图2 2 所示，在两舰船分别安装加 速度传感器和倾角传感器以检测两舰船的运动信号；通过安装在液压马达上的旋 转编码器测得的重物实际速度，检测信号传送到控制器，控制器运算得出反馈偏 差量，并按控制算法控制绞车的收放来补偿两舰船的相对运动。 如图2 3 所示，卷扬机内部装有差动行星齿轮减速机。行星轮系两个输入端为 太阳轮和内齿圈，分别联结驱动系统的主驱动液压马达和副驱动液压马达。行星 轮系的工作原理是当太阳轮和内齿圈转向相同时，行星架转速增加，反之降低。 可见行星轮系完成了输入信号的“和 运算【5 】，符合( 2 3 ) 式波浪补偿运算的基 本原型。 为了便于信号分开处理与复合控制，现作如下规定： 主驱动端根据起重机主控信号k ，实现重物额定的收放速度； 副驱动端根据补偿信号k 施行闭环控制，实现波浪补偿功能。 因此卷扬机输出线速度，即钢丝绳收放速度可表示为： v r = v s + v c ( 2 1 0 ) 从而重物相对被补给舰的运动速度为： 2v r + ( 2 1 1 ) 2 v s + v c + 1 , a b 式( 2 1 1 ) 与式( 2 4 ) 完全一致，表明差动行星齿轮减速机实现波浪补偿基 本原理是可行的。 2 2 2 控制系统结构设计 根据上述思路设计出的控制系统组成结构如图2 5 所示。控制系统主要由四大 功能模块组成，分别是控制器处理单元、前向通道、后向通道和外部接口。 1 前向通道设计 加速度传感器、倾角速度传感器、旋转编码器、张力传感器和前向调理电路 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 构成了控制系统的前向通道。前向信号调理电路的作用是对传感器输出的电压电 流信号进行转换、滤波得到满足控制器i o 端口要求的电压信号，如图2 6 所示。 图2 5 主动式波浪补偿d s p 控制系统 前向通道主要完成两方面的信号检测。 ( 1 ) 舰船运动信号检测 补给舰和被补给舰分别安装加速度传感器和倾角传感器，检测各自的升沉、 纵倾运动状态。舰船运动信号是补偿信号的来源，因此提高舰船运动检测精度和 检测系统实时性是波浪补偿控制的关键。 (